Thêm Một Số Bằng Chứng Cho Thấy Sóng Âm Sở Hữu Khối Lượng Vật Chất

Khi nghĩ đến sóng âm, ngay lập tức chúng ta sẽ tưởng tượng đến những rung động vô hình và di chuyển vô trọng lực trong không khí, hay nói dễ hiểu hơn là không hề có khối lượng vật chất. Tuy nhiên, suy nghĩ có thể sẽ phải thay đổi khi các nhà vật lý đã cung cấp thêm một số bằng chứng cho thấy sóng âm có sở hữu khối lượng vật chất, dù chỉ là ở mức rất nhỏ. Điều này có nghĩa là chúng sẽ có trường trọng lực riêng, từ đó bổ sung thêm cho các học thuyết về không gian.

Tuy nhiên, hãy chậm lại 1 chút và cùng tìm hiểu lại những điều cơ bản. Ví dụ, khi ta đá 1 quả bóng, ta đã cung cấp năng lượng cho nó, điều này đồng nghĩa với việc ta đã đóng góp 1 phần khối lượng vật chất để làm cho quả bóng tăng tốc. Ví dụ cũng áp dụng tương tự cho các hạt phân tử (là quả bóng) và sóng âm (là cú đá).

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã luôn tranh cãi nảy lửa về mối tương quan giữa động lượng và các hạt di chuyển có làm tăng khối lượng vật chất hay không. Hồi năm 2018, nhà vật lý học Alberto Nicolis (Đại học Columbia, New York) đã cùng các đồng nghiệp ở trường Đại học Pennsylvania (Philadelphia) để nghiên cứu về sự phân rã và tán xạ của các dạng sóng khác nhau trong môi trường Helium lỏng ở nhiệt độ cực thấp. Kết quả của nghiên cứu cho thấy sóng âm có khả năng tạo ra khối lượng vật chất lớn hơn 0, đồng thời cũng có thể "trôi" trên các trường trọng lực mà không bị ảnh hưởng bởi trọng lực.

Điều này có thể sẽ không tạo ra quá nhiều khác biệt đối với các âm thanh "cỡ nhỏ", nhưng nếu đạt đến quy mô lớn như các vụ nổ thiên thạch trong vũ trụ, mọi thứ sẽ trở nên rõ ràng hơn nhiều. Nghiên cứu vẫn còn khá nhiều rào cản, quan trọng nhất trong số đó chính là các điều kiện tối ưu để có thể theo dõi 1 cách chính xác nhất. Nicolis hiện đang sử dụng những kỹ thuật chuyên dụng để đưa ra các bằng chứng cho thấy âm thanh có khối lượng vật chất khi truyền tải qua chất lỏng hay chất rắn, hay thậm chí có thể tạo ra các trường trọng lực nhỏ của riêng chúng.

Nghiên cứu cũng đi ngược lại với quan niệm rằng phonon không có khối lượng vật chất. Chuyển động của chúng cũng không chỉ phản ứng với 1 trường trọng lực theo các cách khác biệt mà còn đóng vai trò là nguồn gốc của 1 trường trọng lực riêng. Phần nào điều này đúng với định nghĩa khối lượng vật chất của Newton, vậy thì tại sao người ta lại phân vân và hoài nghi về vấn đề này?

Cốt lõi của vấn đề nằm ở chỗ sóng sẽ truyền tải qua 1 phương tiện như thế nào. Sóng ánh sáng được tính bằng đơn vị photon còn sóng rung được tính bằng đơn vị phonon. Hạt phonon là miêu tả của cơ học lượng tử về một dạng dao động, trong đó mọi vị trí của mạng tinh thể đều dao động với cùng tần số. Mọi dao động bất kỳ trong mạng tinh thể đều có thể coi như sự chồng chập của các dao động cơ bản. Chế độ cơ bản được coi là các hiện tượng sóng trong cơ học cổ điển, nhưng thể hiện tính chất như hạt cơ bản trong cơ học lượng tử, theo lưỡng tính sóng hạt của vật chất. Chữ phonon có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp φωνή (phonē), nghĩa là âm thanh, vì các phonon ở bước sóng dài là sự lan truyền của âm thanh. Khái niệm phonon lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý Nga Igor Tamm.

Để dễ hình dung hơn, nếu ta đứng yên trong 1 buổi hòa nhạc thì khối lượng vật chất của cơ thể ta sẽ được giữ nguyên. Tuy nhiên, khi đến cao trào và người bên cạnh ta bắt đầu xô đẩy hay va vào ta và làm ta bị ngã, thì khối lượng vật chất của cơ thể ta sẽ thay đổi. Theo định luật của Einstein, năng lượng bằng với khối lượng vật chất nhân với bình phương tốc độ ánh sáng, phần năng lượng cơ thể nhận được khi bị xô đẩy cũng chính là khối lượng vật chất, tương tự với khi chính ta nhún nhảy và va chạm vào người xung quanh.

Trong ví dụ được đưa ra, các va chạm cơ thể trong đám đông chính là phonon và có thể được xem như là 1 dạng phân tán tuyến tính, giúp cân bằng mức năng lượng dao động trong toàn bộ chu kỳ phonon không có khối lượng vật chất đồng thời cung cấp cho mỗi phonon giá trị khối lượng vật chất riêng, tương tự với trường hợp của các phonon ánh sáng.

Tuy vậy, trên thực tế sẽ có 1 số khác biệt. Sóng ánh sáng truyền tải qua chân không và lượng phonon trong một vật chất hoàn hảo theo lý thuyết sẽ là tuyến tính, nhưng do chất lỏng và chất rắn đều tuân theo các định luật riêng của chúng và có 1 số ảnh hưởng riêng nhất định, vì thế các tính toán hiện chưa thể cho ra kết quả chính xác ở những trạng thái cũng như điều kiện vật chất khác nhau của từng phương tiện.

Để giải quyết vấn đề, Nicolis và 2 đồng nghiệp là ông Miguel Esposito và Rafael Krichevsk (trường Đại học Columbia) đành phải sử dụng phương thức tính Trường hiệu quả xấp xỉ (effective-field theory) để có thể hiểu được phần nào cách thức phonon truyền qua mỗi phương tiện cũng như cách tính phản ứng của chúng đối với trường trọng lực. Chính nghiên cứu đã cho thấy sóng âm cũng sở hữu khối lượng vật chất của riêng nó.

Dù vậy, khối lượng vật chất của sóng âm vẫn rất nhỏ, đi cùng việc các tính toán khoa học chuyên sâu cũng chưa được vận dụng. Ngoài ra cũng sẽ còn rất nhiều thứ phải được bổ sung thêm vào nhằm có thể đưa ra 1 luận điểm được giới khoa học gia chấp nhận. Các nhà nghiên cứu từng khẳng định rằng có thể dễ dàng cân được trọng lượng 1 trận động đất do sóng âm tạo ra, vì nó hầu như đạt đến giá trị hàng tỷ kilogram khối lượng vật chất.